[Mythos] Temperatursenkung durch mehr Oberflächenrauhigkeit?

[Duke711]

Eine weitverbreitete Meinung:

Wenn die Oberflächenrauhigkeit eine Rolle bezüglich der Temperaturdifferenz zwischen Die/Wasser spielen soll, dann führt natürlich eine rauhere Oberflächenbeschaffenheit zu einer besseren Temperatur aber stimmt dies wirklich?

Nein auch selbst in einem einfachen Rohr hat dies kaum einen Effekt. Wie man anhand einer Messung des Prüflings 1 und 2 sehen kann, ist die Nusseltzahl (eine dimensionslose Kennzahl für den Wärmeübergang) nahe zu identisch.


Wie sieht es nun bei einem CPU-Kühler z.B. Alphacool Nexxxos XP³ aus, wo das Wasser auch einfach überhalb des "Kreuzschliffes" den Weg des geringsten Widerstands wählen kann?

In diesem hat eine rauhere Oberfläche sogar einen negativen Effekt und führt zu einer Temperaturerhöhung. Das kann man auch u.a. an dem abfallenden Druckverlust, die Turbulenz im Kühlkörper vermindert sich, erkennen.

Gesplittet von

https://www.computerbase.de/forum/t...durchfluss-usw-auf-die-temperaturdif.1685538/

zur besseren Übersicht.


Daten:

CPU: Skylake
Wärmeabgabe: 125 W
Die-Größe: 11x15x0,5 mm
HS Größe: 30x30x3,2 mm
WLP-Dicke: Die/Hs 11x15x0,03 mm ( 7 W/mK)
WLP-Dicke: HS/Kühlerboden 30x30x0,03 mm

Kühlereckdaten:

"Kreuzschliff"
Mit Zwischenplatte
Kanäle: Anzahl 33 --> 0,3x 1 mm
Bodendicke: 2 mm

 

[Baal Netbeck]

Ähm....schön.....was willst du sagen? Was ist der Versuchsaufbau....und warum um diese uhrzeit, wenn du keine Antworten erwarten kannst?.....ich muss jetzt auf jeden Fall ins Bett....werde Morgen irgendwann nochmal reinschauen ...gute Nacht

Edit...der link war um 2:55 noch nicht im Text

 

[e-Funktion]

- Warum 2 Topics?
- Hast du die 125W Wärmeabgabe wirklich gemessen oder bist du einfach nur auf die TDP reingefallen?
- Welche Rauhheit? Boden/WLP/Kühler? Kühler/Medium? Beides? Oder ist der Kreuzschliff gemeint?
- Wer oder was sind Prüfling 1 und 2? Simulationen? Praxistests?

Idee und Ansatz erscheinen mir brauchbar, aber ich halte es für klüger eine kurze und vollständige Abhandlung zu schreiben anstatt kreuz und quer etwas zu posten, was um ehrlich zu sein etwas wirr erscheint. Und: Hast du das Mesh wie in dem anderen Topic vorgeschlagen noch überarbeitet?

 

[Duke711]

Die 125 W sind gemessen. 4,5 Ghz @ 1,34 V, wenn ich dies noch richtig in Erinnerung habe.
Aber dieser Wert ist für die vorgestellten Auswirkungen irrelevant. Genauso gut könnte man 50 W annehmnen, dann ändert sich nur der Grundbetrag der Temperatudifferenz.

Natürlich ist die Rauhigkeit vom Kühler gemeint.

Prüfling 1 und 2 sind Messungen.

Warum sollte ich das Mesh überarbeiten, wüsste auch nicht wer das vorgeschlagen haben soll. Wenn im übrigen das Mesh noch nicht gut genug wäre oder andere Fehler enthalten wären. Dann erkennt man dies sehr schnell daran, dass entweder die Berechnung nicht konvergiert. Oder dass der Ergebnisgraph keine logische Funktion ergibt, sondern eine nicht geglättete Kurve oder bzw. überhaupt keine Kurve.
Die Kurve habe ich im übrigen nicht nachgearbeitet sondern direkt von den Berechnungspunkten übernommen.

Eine Abhandlung mit mehr Informationen befindet sich im übrigen im Urbeitrag. Zu diesem ich immer verlinke, einigen ist auch dies schon zu mühselig.

 

[Hanfyy]

Naja mit der Oberflächenrauigkeit verhält es sich wie mit allem: Auf die Dosierung kommt es an!

Prinzipiell stimmt es ja schon, das über eine erhöhte Oberfläche mehr Wärme abtransportiert werden kann. Wenn jedoch die Rauigkeit so groß wird, dass (wie du mit dem Rillen im Kühlkörper ja schon beschrieben hast) in den 'Tälern' keine Zirkulation mehr statt findet, erschafft man quasi eine Isolationsschicht.

 

[Baal Netbeck]

Tut mir Leid...aber der Sinn des ganzen erschließt sich mir nicht.....Du musst dringend an deiner Präsentation arbeiten.....Du hast die Situation simuliert....toll....aber was hilft es dir, wenn du es nicht mit echten Werten vergleichst? Oder tust du es? Du wirfst Werte in den Raum ohne zu sagen welche gemessen und welche simuliert oder gar angenommen sind.....Zu einem Experiment gehört ein klar definierte Versuchsaufbau!

Ich mag in dem Thema nicht drin sein, aber wie kommst du zu dem Schluss, das die Oberflächenrauigkeit keinen Einfluss hat, wenn sich beide Kurven in deinem Diagramm doch unterscheiden? Du trägst Nusselt-Zahl nicht linear über der Raynoldszahl auf....wenn ich das richtig sehe, trägst du also Wärmeübertrag(den du irgendwie aus der Temperaturdifferenz Wasser/CPU berechnest) nicht linear(wie auch immer) über der Strömungsgeschwindigkeit(logaritmisch) auf.....dann legst du noch ein paar scheinbar theoretische Werte drüber und das soll irgendeinen Mythos entzaubern?

Ergänzung (9. Juni 2017)

Uns was ist mit Rauigkeit des Kühlers gemeint??? dem Rest nach zu urteilen wurde die Flächen mit Kontakt zum Wasser aufgeraut.....auf welche Art denn? Bei dem Kühler mit den ganzen kleinen Türmchen, sehe ich kaum eine Möglichkeit das gleichmäßig hinzubekommen....oder wurde die Bodenplatte zum Heatspreader aufgeraut(hoffentlich nicht)...

 

[Duke711]

Naja mit der Oberflächenrauigkeit verhält es sich wie mit allem: Auf die Dosierung kommt es an!

Prinzipiell stimmt es ja schon, das über eine erhöhte Oberfläche mehr Wärme abtransportiert werden kann. Wenn jedoch die Rauigkeit so groß wird, dass (wie du mit dem Rillen im Kühlkörper ja schon beschrieben hast) in den 'Tälern' keine Zirkulation mehr statt findet, erschafft man quasi eine Isolationsschicht.

Das eine rauhere Oberfläche zum besseren Wärmetransport beitragen kann, ist aus dem ersten Bild zu entnehmen. Aber auch hier ist der Effekt marginal. Dies gilt aber nur für einen einfachen Fall, ein Rohr. Bei so einem CPU-Kühler sieht es anders aus.

@Baal Netbeck

Was sind echte Werte? Die Werte die ein digitales Messgerät anzeigt? Zahlen auf ein Display?
Auch ein Messgerät ist ein Glaube und nicht in der Lage die reale Wirklichkeit zu beschreiben.
Stichwort Messtoleranz, Auflösungstoleranz und vor allem Störfaktoren im allgemeinen Messaufbau.

Was die Simulation wert ist, sie Urtopic.

Im Diagramm ist weder die Strömungsgeschwindigkeit, noch der Wärmeübergang abgebildet. Ein Diagramm wie bei den Prüflingen würde auch kein Sinn ergeben. Denn es handelt sich nicht um ein Rohr wo sich nur ein Strömungsfilm ausbilden kann. Es bilden sich in so einem CPU-Kühler dutzende Strömungsfilme aus. Daraum ist es sinnvoller, wie bei einer richtigen Messung auch, nur den Temperaturdifferenzverlauf bei einem konstanten Durchfluss abzubilden. Als Hilfsindiz noch den Druckverlust zwischen Kühlereingang und -Ausgang. Wenn der Massenstrom konstant bleibt, dann beudeut dies im Umkehrschluss eine nachlassende Turbulenz. Warum dies so ist, habe ich bereits erläutert.
Im Idealfall vergleicht man natürlich abschließend die Ergebnisse mit einer Messung. Da es sich aber noch um sehr überschaubare physikalische Grundgesetze handelt, die man sehr genau beschreiben kann, ist dies nicht notwendig. Auch im Messaufbau würde mit zunehmender Rauhigkeit das Wasser vermehrt überhalb des "Kreuzschliffes" abfließen und somit für ein Temperaturanstieg sorgen.

Es gibt keine gleichmäßige Rauhigkeit. Siehe Bild 3. Es handelt sich immer um die arithmetische Mittenrauhheit, also ein Durchschnittswert. Und wird maßgeblich durch das Fertigungsverfahren und der Schnittgeschwindigkeit/Vorschub bestimmt.
Ich sehe den Mythos als entzaubert an, so lange da keine gegenteilige und plausible Messung vorliegt.

 

[Baal Netbeck]

Ja mit echten Werten meine ich experimentell bestimmte Messwerte.....diese haben natürlich eine begrenzte Genauigkeit, aber deshlab macht man ja eine Fehlerrechnung....wenn sich da herausstellt, dass die Fehler zu groß sind muss das Experiment angepasst werden oder eingesehen werden, dass das Experiment nicht sinnvoll war.....aber Werte aus einer Simulation als näher an der Wirklichkeit zu betrachten halte ich für falsch....So eine Simulation ist toll, wenn man schon gezeigt hat, dass sie für verschieden Beispiele funktioniert und man nur noch Parameter ändert. Das sehe ich hier nicht.

Es war mir auch nicht ganz klar, wie die Daten von "Prüfling 1 und 2" entstanden sind...scheinbar in unterschiedlich aufgerauten Rohren....und aufgetragen wird Nusselt-Zahl über Raynolds-Zahl.....also wenn ich mir da die Definitionen angucke, steckt in der Nusselt-Zahl doch der Wärmeübertragskoeffizient als veränderliche Variable und in der Raynoldszahl die Strömungsgeschwindigkeit.....die Rohre werden ja wohl hoffentlich keine unterschiedliche Durchmesser haben oder mit einem anderen Fluid getestet worden sein.

Ich stelle auch nicht in Frage, dass das Programm die einfachen physikalischen Gleichungen nicht kann....aber in der Praxis sind solche Gleichungen nicht immer voll übertragbar.....denn die Realität ist ja nicht einfach und optimal....es kann also sein, dass deine Simulation Effekte ignoriert, die nur in diesem Spezielfall wichtig sind...Die Art der Rauhigkeit z.B. Ich könnte mir vorstellen, dass höhere Unebenheiten in größeren Abständen schlechter sind als kleine Unebenheiten in kurzen Abständen...obwohl die mittlere Rauhigkeit gleich ist.....auch könnte sich das Ergebniss ändern wenn die Art der Bodenplatte anders ist....Wenn das Wasser von einer zur anderen Seite durch Rillen gepresst wird anstatt von der Mitte zu den Seiten durch diese "Türmchen". Oder wenn es gar keine Struktur gibt und einfach über eine glatte/aufgeraute Fläche geströmt wird. Wenn du nicht den Druchfluss konstant hälst sondern mit festem Pumpendruck arbeitest....dann würde die Rauigkeit den Durchfluss behindern und wie du in dem anderen Thread gezeigt hast die Kühlung dadurch verschlechtern.


Ist ja auch egal....ich will dir auch nicht widersprechen, wenn es an das Ergebnis geht....So wie der Kühler aufgebaut ist, kann ich nachvollziehen, wenn das Wasser bei höherer Rauhigkeit eher auf den Bereich oberhalb der "Türmchenstruktur" ausweicht sobald es die Möglichkeit hat. Dennoch finde ich es schwer nachvollziehbar dargestellt und im Grunde zeigt deine Simulation nur ein Ergebnis für diesen Spezielfall.....wenn ich das alles überhaupt richtig verstanden habe^^

 

[Duke711]

Das ist richtig, die Simulation beschränkt sich nur auf diesen Kühler bzw. auf Kühler die mittig angeströmt werden und wo überhalb der Kanalstruktur das Wasser abströmen kann. Aber viele CPU-Kühler sind heut so tage so aufgebaut.

Interessanter wird da denn schon ein GPU-Kühler, bzw. wo das Wasser nur durch diese Kanalstruktur fließen kann.

Auch im großen und ganzen wird doch aufgezeigt, dass die Oberflächenbeschaffenheit bei Strömungsgeschwindigkeiten von < 4 m/s und einem flüssigen Medium wie Wasser eher keine Rolle Spielt. DT gerade mal 1 K.

Sinnvolle Kritik und Hinterfragung finde ich übrigens gut. Wenn man so andere Forum anschaut, Hardwareluxx und co..

 

[Hanfyy]

Die Strömungsgeschwindigkeit spielt wahrscheinlich auch nur deshalb keine Rolle, da sie im Kühler und im Radiator (geschlossenes System) gleich ist.
-> Das Wasser hat auch weniger Zeit die Energie wieder los zu werden, wird dadurch etwas wärmer aus dem Radiator kommen, nimmt entsprechend im Kühler weniger Energie auf usw.